铜基合金的冶金亚博的网站是什么

由William D. Nielsen,Jr.
西方储备制造有限公司

铜合金的基本性质主要受铜本身性质的影响。亚博的网站是什么亚博的网站是什么已知铜具有某种独特的品质,使其成为轴承应用的最佳工程材料。亚博电竞投注这些是:

  • 高导热系数
  • 良好的延性韧性温度范围很广
  • 优异的耐腐蚀性在许多不同的环境中

亚博的网站是什么铜的原子结构

以上三种性质都与铜在原子尺度上的结构和行为直接相关。亚博的网站是什么

铜的面心立方晶体结构模型亚博的网站是什么 图1所示。铜型圆形立方晶体结构的模型显示一个单位细胞。亚博的网站是什么角原子之间的距离为3.6埃(参考文献1)。
铜原子与亚博的网站是什么金或银的原子非常相似,金或银和铜一起构成元素周期表中的一组元素。每个人都知道铜的优良导电性,这是铜的原子结构的结果。亚博的网站是什么在铜原子晶格内,自由电亚博的网站是什么子云是唯一可用于电流转移的。同样的电子云也增强了热能的有效转移。

可将实心铜描亚博的网站是什么述为铜原子在面中心立方(FCC)配置中的布置。在每亚博的网站是什么个角落中找到铜原子,并且在立方体的每张面上的中心图1.这是在三维空间中重复的单元胞,构成金属的晶体结构。

原子通过它们之间的原子景点的能量保持在结构中。这是占据其高延展性和韧性的原子的特殊面对的立方体布置。亚博的网站是什么所有金属通过称为滑动的机制变形。当滑动发生时,金属上的力导致原子以群体彼此滑动。在铜FCC结构亚博的网站是什么中,该运动优先发生在沿晶格内的特定几何平面的任何或全部三个方向,如图所示图2

去除角原子的铜的单位fc亚博的网站是什么c,以显示变形优先发生的滑移面。 图2。去除角原子的铜的单位fc亚博的网站是什么c,以显示变形优先发生的滑移面。这个地方体现了几何上可能的最密集的原子堆积(参考文献1)。
铜电池有亚博的网站是什么四个这样的平面。如果在所有四个飞机上三个方向发生运动,则存在21个可能性的滑动。事实证明,这是在任何金属结构中发现的滑动的最大可能性。金属可以体验大量滑动的可能性越有可能是变形而不是骨折和失败。因此,铜具有优亚博的网站是什么异的延展性和韧性,并且耐疲劳和蠕变是抗性的。额外的好处是铜,因为它是朝向中心的结构,不会遭受低亚博的网站是什么(亚零)温度的脆化;其他晶体结构共同的现象。

亚博的网站是什么铜的电子结构和晶体结构的结合赋予了它优异的耐腐蚀性能。自由电子云很容易在金属表面形成相干膜,保护晶格免受进一步腐蚀。

产生滑移面的催化裂化结构赋予这些滑移面另一种特征。在任何金属系统中,滑移面上的原子都尽可能紧密地排列在一起(图2).原子的这种有效排列将大部分物质包裹在一个给定的空间中(就像蜜蜂在建造蜂巢时知道的那样)。除了在最恶劣的环境中,氢离子很难通过原子间的小空间而引起应力腐蚀开裂。

我们已经看到,铜,铸造青铜的基本金亚博的网站是什么属,在原子尺度上,如何赋予良好的轴承材料的重要特性。但是轴承不是由纯铜制成的,而是由广泛的铜合金制成的,这是现在可以得到亚博的网站是什么的。每一种合金都改善了纯铜的性能,并进一步使新材料适应特定的环境。亚博的网站是什么让我们就材料的冶金学及其在轴承设计中的用途来研究一些更常见的合金系统。

铸铜合金

铸造青铜的轴承等级可以将冶金分为三类:

  • 单相固溶体合金
  • 多相合金
  • 复合材料

要了解不同合金的性能,我们必须首先了解当加入少量合金化金属时,必须了解基本铜结构发生的情况。亚博的网站是什么在其熔融状态的凝固和冷却合金期间发生反应。

简而言之,合金金属相对于普通fcc铜晶格的最终排列决定了合金材料的性能。亚博的网站是什么

合金金属以三种基本方式在铜格子中找到它们的位置:亚博的网站是什么

  1. 它们取代了fcc晶格中的铜原子。亚博的网站是什么
  2. 它们与铜结合,形成局部区域(相),其晶体结构亚博的网站是什么形式与fcc铜晶体不同。
  3. 它们被凝固铜格子拒绝,但在合金的晶体中被捕获,因为它们冷冻并生长。亚博的网站是什么

研究导致了简单的二元合金系统如何反应的图形表示。此表示称为相图。与青铜相关的一些二元系统的相图显示了通常导致先前提到的三种情况之一的合金元素的行为。铜锡均衡亚博的网站是什么相图(图3.)说明了案例(1)和(2)。

亚博的网站是什么铜锡平衡相图(参考文献2)。 图3。亚博的网站是什么铜锡平衡相图(参考文献2)。

情形(1)-替换

单相(α)铜锡合金(88Cu-8Sn-4Zn)的显微组织。亚博的网站是什么结构显示滑线。 图4。单相(α)铜锡合金(88Cu-8Sn-4Zn)的显微组织。亚博的网站是什么结构显示滑线。附注还有三角阶段(较暗的岛屿)(参考2)的痕迹。
参考图3,当锡含量低于11%(例如,锡含量为8%)时,合金冷却后会在一定温度范围内凝固,当温度降至850°C以下时,合金会完全凝固。在缓慢冷却的平衡条件下,形成的固相是面心立方晶体(α相)。锡原子直接取代铜原子进入晶格。亚博的网站是什么锡原子实际上有增强纯铜的作用,因为它们使晶格变形,也就是说,它们改变了铜原子之间的通常距离。亚博的网站是什么在相当缓慢凝固的商业条件下,几乎所有的金属都将以α相(图4.).这种取代现象导致锡在铜中的单相固溶体。亚博的网站是什么由于晶格应变,其晶体结构虽然比纯铜强,但仍然是fcc。亚博的网站是什么因此,滑移特性仍然很好。因此,单相固溶铜合金在强度显著提高的情况下,仍保持较高的延展性。亚博的网站是什么这种材料在材料可能受到相当大的应力,但断裂将是灾难性的情况下得到广泛应用(如核反应堆海水系统中的配件)。

这种单相商业合金的一个例子是合金C90300,其性质与下面的标签中的铜进行比较。亚博的网站是什么

C90300
99.9 88.0
- 8.0
- 4.0
t, ksi 28. 45.
Y.S.,KSI. 8 23.
艺龙,%在2。 45. 25.
硬度、布氏硬度 40 77.
(值为小于3英寸的连续铸造材料。直径)。

案例(2) - 多相

如果锡的含量增加到11%或更多,当金属冷却到400°C以下时,一些α相将发生转变。出现了一个新相,分散在正常的fcc α晶体中。这种相称为δ,可以通过相当快的冷却保存在材料中(图5.).

连铸锡铜合金C90500的微观结构。 图5..连铸锡铜合金C90500的微观结构。指示δ相位(参考文献3)。

三角洲相(虽然基本上仍然是fcc)比alpha相含有更多的锡和铜的比例,并且非常硬和强,但缺乏很大的延展性。亚博的网站是什么在最佳条件下,它似乎是在材料的微观结构中精细分散的岛屿。这第二阶段对滑移机制的影响是显著的,在小的运动程度后具有钉住滑移面的作用。但δ相也极大地提高了材料的耐磨性,这从硬度的显著增加可以看出。流行的铝青铜合金(C95400和C95500)和锰青铜(C86300和C86400)以相似的方式获得了高强度和高硬度,尽管actors是不同的。尽管如此,这些性质是在基本催化裂化晶格中另一相(或相)的弥散的结果,在几乎所有情况下,弥散相比周围的基体材料的体积更硬、更强。这些材料中的“工程不连续”起到了锚定滑移面并限制其运动的作用。

这些材料被称为多相合金,其特点是比α合金具有更高的强度、硬度和耐磨性;但它们的延展性要差得多,如下表所示。因此,它们最适合尺寸完整性最重要的控制表面部件,以及低速下的重载和冲击载荷,例如飞机起落架轴承。

与单相材料相比,它们的性质可以随温度变化,其性质可以随温度变化至显着的程度。这种合金通常是热处理的。通过操纵合金的微观结构,如平衡相位图所示,“短路”平衡,可以获得某些性质,其在铸造条件下不存在。

单相 多相
C90300 C90700. C92500 C95400
88. 89. 87. 85.
8 11. 11.
PB. 1
4
艾尔 11.
1
4
t, ksi 49. 52. 50. 85.
Y.S.,KSI. 23. 29. 25. 35.
艺龙,%在2。 25. 18. 20. 18.
硬度、布氏硬度 77. 95 83. 170.
(值用于少于3英寸的连续铸造材料。直径除外,除了用于铸造的C95400。)

在任何情况下,不含大量铅的多相材料只能用于本身经过热处理硬化的钢配合表面的轴承。在铝青铜或锰青铜应用的情况下,通常建议轴镀铬或由类似于钢厂轧辊使用的双金属材料制成。亚博电竞投注

案例(3)-混合混合物

亚博的网站是什么铜铅平衡相图(参考文献2)。 图6。亚博的网站是什么铜铅平衡相图(参考文献2)。
应用最广泛的轴承材料是真正的复合材料。从根本上说,它们可以是单相结构,也可以是多相结构,在自由铅粒子或球状体周围充当基质。铜铅平衡相图(亚博的网站是什么图6.)表明铅在冻结时几乎完全被铜晶格排斥。亚博的网站是什么尽管如此,冶金工程师和铸造厂工人都在努力捕捉铜基材料的晶体之间的铅,因为这些晶体在凝固和生长的过程中产生了非常好的合金轴承。亚博的网站是什么图中显示了典型的分散铅的微观结构图7.

如今,可以生产超过30%的铅含量的铜基材料,其中铅颗粒的尺寸为微亚博的网站是什么尺度。另一方面,如果轴承应用表明更较大的铅颗粒更为期望,也可以在该形式中制造合金。

连铸含铅锡青铜合金C94100 (20%Pb)的显微组织。 图7。连铸含铅锡青铜合金C94100 (20%Pb)的显微组织。铅颗粒已标示出来(参考文献3)。

铅执行三个重要的轴承功能,所有这些功能都是为了保护轴和提高机械的性能。最重要的是铅颗粒降低轴承和轴之间摩擦系数的能力。实现这一目标的机制相当有趣。铅颗粒可通过轴表面的微小粗糙边缘自由地从轴承表面脱落。钢轴被铅覆盖,铅逐渐重新分布,以填补轴上的低点。一旦已经完成,摩擦系数仅略有上升,显示在下面的列表中(参考4)。这同样的现象有进一步开发的优势在这个温度点轴承之间的联系和交配的部分受到铅的熔化温度327 C)。显然,含铅合金的这种特性在没有润滑(计划或意外)或机器本身的操作环境受广泛的极端温度影响时非常有价值,例如在飞机或北极油田设备上。

系数
摩擦(滑)
铜上的钢亚博的网站是什么 0.9
钢对C94300(23%铅) 0.18
钢在C94300上经过延长使用 0.30
钢铁对钢铁 1.00

铅的第二个重要功能是吸收发现其进入界面的污垢,尽管可以在尽可能通过适当的密封轴承的设计来避免这种问题。

第三,含铅合金的强度比无铅铜锡合金略低,比铜铝或铜锌合金的强度低得多,表现出高度的一致性。亚博的网站是什么也就是说,轴承将调整其形状,以允许对中不良或振动。这一特点,加上那些前面描述的,允许一个人说,铅合金将“磨损”非常好,一个特别理想的特点,蜗轮蜗杆,举个例子。含铅青铜也很容易加工。

工程师必须提醒自己,这些合金不像无铅材料那样坚固,也不像无铅材料那样具有很强的抗冲击能力和抗随后导致失效的疲劳能力。然而,令人欣慰的是,由于这些合金的“柔软性”,轴承的全部故障不太可能破坏轴或卡住机器。

通过选择适当的基体,铅颗粒将被铸造,工程师可以选择一个相当大的范围的材料强度兼容中轻负荷和高速,如下表所示。值适用于小于3英寸的连铸件。直径。

C83600 C93200 C93700 C93800. C94300
85. 83. 80 78. 70
5 7 10. 7 5
PB. 5 7 10. 15. 25.
5 3.
t, ksi 45. 45. 41. 34. 27.
Y.S.,KSI. 21. 24. 24. 23. 13.
艺龙,%在2。 28. 16. 10. 12. 15.
硬度、布氏硬度 72. 72. 80 62. 48.

铸青铜器的性能

让我们现在通过两张桌子审查轴承青铜合金家庭,这些桌子比较一些更重要的工程性质。表格1综述了其化学组成及应用性能。表2.指出这些材料的更常见用途,以及它们在应用环境中使用最多的性能质量。

表格1.铸造轴承青铜的组成与性能
成分百分比
合金家庭 PB. 艾尔
红黄铜
C84400 81. 3. 7 9
C83600 85. 5 5 5
含铅锡青铜
C93200 83. 7 7 3.
C93700 80 10. 10.
高铅锡青铜
C93800. 78. 7 15.
C94300 70 5 25.
罐青铜
C90300 88. 8 4
C90500 88. 10. 2
C90700. 89. 11.
C92500 87. 11. 1 1
C92700 88. 10. 2
C92900. 84. 10. 2.5 3.5
C94700-HT * * 88. 5 2 5
铝青铜
C95400 85. 4 11.
C95400-HT 85. 4 11.
C95500 81. 4 4 11.
C95500-HT 81. 4 4 11.
锰铜
C86300. 63. 25. 3. 3. 6
C86400. 59. 1 40
* BTU / ft2 /英尺/人力资源/ F
**高温-热处理
表格1.铸造轴承青铜器的成分和性能(续)
连续铸造性能(典型)
合金家庭 t, ksi Y.S.,KSI. 艺龙,
布氏硬度 可加工性
指数
压缩
Y.S.,KSI.

电导率*
红黄铜
C84400 37. 16. 23. 55. 90 28. 41.
C83600 45. 21. 18. 72. 100. 34. 41.
含铅锡青铜
C93200 45. 24. 16. 72. 100. 30. 33.
C93700 41. 24. 10. 80 100. 25. 27.
高铅锡青铜
C93800. 34. 23. 12. 62. 100. 23. 30.
C94300 27. 13. 15. 48. 100. 20. 36.
罐青铜
C90300 49. 23. 25. 77. 25. 36. 43.
C90500 51. 29. 18. 92 25. 29. 43.
C90700. 51. 29. 18. 95 20. 38. 41.
C92500 49. 26. 17. 80 30. 32. 42.
C92700 48. 20. 18. 80 80 28. 40
C92900. 53. 31. 15. 100. 85. 38. 34.
C94700-HT * * 90 66. 9 180. 20. 71. 31.
as-铸造属性
铝青铜
C95400 85. 35. 18. 170. 60. 50. 34.
C95400-HT 105. 54. 8 195 20. 75. 34.
C95500 100. 44. 12. 195 50. 60. 24.
C95500-HT 120. 68. 10. 230. 15. 80 24.
锰铜
C86300. 115. 70 15. 225. 8 80 20.
C86400. 65. 25. 20. 90 65. 40 51.
* BTU / ft2 /英尺/人力资源/ F
**高温-热处理
表2..各种环境下轴承合金性能的比较指南
定性轴承运行环境
合金号 速度 负载 环境 轴硬度 典型的应用亚博电竞投注
C94300 (低)

(高)
(低)


(更高)
(研磨)

(研磨)
(低)


(高)
飞机燃料泵
C93800. 矿井水泵,戴盘子
C93700 大量装载的高速轴承
C93200 通用轴承
C83600 深层泵线轴轴承,轻型齿轮
C92700 活塞环
C90500 齿轮,阀导管,泵叶轮
C92900. 齿轮,阀门导轨,钢材替代品
C90300 阀门组件,蒸汽配件
C90700. 齿轮
C95400 控制表面
C95500 控制表面
C86300. 轧机螺丝螺母

表中所示的合金基本上都是所讨论过的基本材料的变体。在某些情况下,可能添加铅以提高可加工性(C92500 vs. C90700)。也许添加镍是为了增加强度或耐腐蚀性(C95500 vs. 95400)。锰和铁含量可能会发生变化,以稳定某些结构(C86300 vs. C86400)。为了经济起见,锌可能被用来代替锡(C90500 vs. C90700)。一种合金是由普遍可用的废材料(C83600和C93700中的C93200)创造出来的,现在可能是最广泛使用的轴承合金。这是一个很好的妥协。尽管如此,每种材料都有一套独特的特性,最适合某些特定的鉴赏。

经济学

关于合金材料的相对经济学的几句话很重要。所有合金组成部分都受到世界市场的影响,其价格水平由供应,需求,政府控制和投机利益决定。这些组件的世界市场波动最终找到了它们进入合金的复合金属成本的方式,这也影响物料的废料值在从服务中取出时。表3显示铜和主要合金材料的大致相对值,在写入时。亚博的网站是什么

表3.近似金属成本关系
近似
相对成本
近似
相对成本
主要金属 二次废料
亚博的网站是什么 1.0 含铅锡青铜 0.9
7.8 锡青铜 1.0
0.2 铝青铜 0.3
0.5 锰铜 0.3
4.0
0.9 Pre-Alloyed锭
C93200 1.2
C90700. 2.0
C98400. 1.2

制造方法

铜的轴承级合金有多种形式,可通过各种制造方法生产。亚博的网站是什么铸造生产方法综述表4.

砂和冷却模具产品

表4..轴承合金家庭的生产方​​法
生产方法
合金家庭 沙子 寒意
模子
离心 连续
红色黄铜 X X X X N / A.
含铅锡青铜 X X X X X*
高铅锡青铜S=铅偏析可能是一个问题 年代 年代 年代 X N / A.
罐青铜 X X X X X * *
铝青铜 X X X X X
锰铜 X X X X X
*限约4% Pb
**锻工C51000,C52100,C52400。

在砂型或冷铸模中铸造是理想的生产方法,对于非常小的运行或非常小的部件是理想的,有时对于非常大的部件,如船舶螺旋桨是必需的。

所讨论的所有合金均可采用这些形式,但当铅含量接近16%时,可能会出现严重的铅偏析问题。可以铸造各种尺寸和复杂形状的铸件。红黄铜是一种非常流行的水暖五金材料,采用这些方法生产,主要以阀体和管件的形式。

离心铸造产品

同样,除了铅含量接近20%的高铅锡青铜外,所有的主题合金都很容易用离心铸造法生产。铅偏析问题对铸件的尺寸很敏感。非常大的衬套是用这种方法制造的。很可能大多数套管超过14英寸。吸毒过量,大约100英寸。外径是离心铸件。这种铸件的长度可以超过100英寸。然而,小型离心铸件也是大批量的产品。许多较大的法兰轴承或齿轮坯是用这种方法制造的。虽然对生产数量敏感,小运行可以非常经济。 Stocking distributors maintain inventories of semi-finished centrifugal castings, primarily in standard sizes and especially in alloys C95400 and C93200.

连续铸造产品

所有合金均可作为连续铸造棒料;铅的分离通常不是问题。可能有必要对某些薄壁铸件进行应力消除,特别是如果合金是C95400、C95500或C86300,以防止在制造和使用中间隙或公差的损失。宽尺寸范围的实心,管状和定制的横截面棒是可用的。直径范围小于0.500英寸。最多14英寸。它可以生产非常薄壁的棒材,有时小于1/4英寸。这些产品非常适合使用自动机床进一步制造。

大量的连续铸造产品具有相当经济的铸造产品,而且再次放养的分销商吸收大量负担,特别是在合金C95400,C93200和C90300所关注的情况下。

造成产品

变形磷青铜合金(C51000, C52100, C52400, C54400)有时用于轴承应用。亚博电竞投注这些合金也可作为退火回火的连续铸件。锻造磷青铜通常限制在3英寸左右。及以下。C54400的有效铅含量最高,约为4%。不可能挤压或轧制含铅量较高的合金。

铝和锰青铜合金也有锻造的等同物。锻造的合金具有非常强大的机械性能,通过挤出,拉伸,轧制或锻造而受到严重的工作,并且广泛用于航空航天应用。亚博电竞投注其中一些合金用作焊接材料。这些合金也可以采用不同的挤压形状,尽管可用的各种依赖性相当依赖。铸造合金的热处理产生类似于锻造材料的机械性能,铝青铜的连续铸造也是如此。一般来说,虽然库存经销商对较少数量的最终用户带来这种负担,但虽然储存经销商,所需的生产量需要大量生产量。

完成轴承

一些生产者以及许多库存分销商和轴承厂携带标准成品衬套的库存,特别是在合金C93200中。这些部件是大规模生产和容易获得的。

专业的轴承

许多机器商店专注于轴承生产,特别是非标准设计和关键的令人待命的合金。这些商店经营着精致的加工中心。使用最优质的设备,它们能够在部分生产中获得最高精度,并保持高标准的材料质量控制。此类机构为那些选择不制造自己的轴承的大公司的机构和维护部门提供服务。它们提供经济的服务,并且非常了解轴承级合金的技术和来源,这将最适合生产给定轴承的生产。

总结

冶金工程,虽然是一门科学,但也是一门艺术。研究、丰富的经验和对合金元素可以赋予铜母金属的性能的理解是良好材料设计的关键。亚博的网站是什么同样重要的是理解与材料、零件生产和最终使用机械操作相关的经济学。铜、黄铜和青铜的卓越性能通过其可靠的性能、普遍的可获得性和亚博的网站是什么经济的质量使各地的工业受益。

参考文献

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